撰文 | 朱頔（田烨课题组）
责编 | 酶美
在细胞分裂的过程中，细胞骨架和膜系统会经历快速、复杂且有序的重塑过程。除了染色质的复制分裂之外，膜性细胞器和核膜也会经历解聚和重塑，而更小一些的细胞器，比如线粒体，也会合理地分配到子细胞中【1】。在正常情况下线粒体就会经历不断融合与分裂，在有丝分裂过程中线粒体也会随着细胞周期的变化进行融合、分裂。当细胞进入有丝分裂时，介导线粒体分裂的蛋白DRP1会被CDK1、AurA激活，锚定在线粒体与ER接触的位置，促进线粒体分裂【2,3】。这些片段化的线粒体分布在细胞中，当进入有丝分裂末期的时候在MFN1/2及OPA1的作用下，线粒体会再进行融合【3,4】。虽然过去有些研究发现，某些微丝结合蛋白会影响线粒体在子细胞的分配情况，但是细胞是如何将线粒体合理分配到两个子细胞中的机制并不清楚【5,6】。
近日，Nature在线发表了来自宾夕法尼亚大学医学院Erika L. F. Holzbaur实验室的研究成果，题目为Actin cables and comet tails organize mitochondrial networks in mitosis。她的实验室主要关注分子马达和细胞骨架，研究集中在神经细胞中细胞器的长距离迁移，神经退行性疾病中分子马达的功能变化，及对疾病的影响。这篇论文是关于在有丝分裂过程中线粒体通过微丝动态变化的帮助，完成了均等分配【7】。研究雏形在2015年美国细胞生物学学会年会上报道过，历时近六年，终于发表。
研究人员观察到在有丝分裂时线粒体分布在整个细胞质中并且包围着纺锤体，并且发现在有丝分裂中期，微丝（actin）在整个细胞质中呈现出绳索状（actin cable）的辐射图案。细胞骨架是细胞器定位的关键调节因子，鉴于线粒体在细胞有丝分裂中从微管上脱离下来，微丝是否是随后维持线粒体位置形态的脚手架呢？利用结构光照明（GI-SIM）显微镜进行观察后，研究人员发现肌动蛋白被排除在纺锤体区之外，但在富含细胞器的细胞质中纵横交错，微丝与线粒体有着紧密的联系，线粒体并不是沿着微丝运动，而是随着微丝一起运动（图1）。随后研究人员利用肌动蛋白的抑制剂（Cyto D，LatA）处理细胞，造成线粒体聚集、运动能力下降，并且线粒体在细胞质中分布不均。
图1. 有丝分裂过程中微丝的网格组织
鉴于线粒体与内质网（ER）之间会通过多种连接蛋白相连，因此研究人员猜测actin cable的丢失造成的线粒体分布和运动能力缺陷，是否是由ER对线粒体的限制造成的？在有丝分裂中期，内质网呈现出松散堆积的片状结构，线粒体与内质网的曲线紧密相连，actin cable则穿过内质网之间的空隙。当用Cyto D处理细胞造成actin cable崩解，会使得ER有序的片状结构被破坏，线粒体被排除在ER形成的空隙之外。根据以上的结果，他们推测actin cable作为一种半刚性的机械支撑，使得ER和线粒体在分裂中期的细胞质中被固定住；这种结构的丢失会导致ER的片状结构遭到破坏、线粒体分布缺陷。
图2. 微丝网格组织破坏影响了线粒体和内质网的均匀分布
那么线粒体在分裂中期的分布不均是否会导致线粒体遗传的不对称呢？他们观察到正常情况下，线粒体会被非常均等地分配到两个子细胞中，而Cyto D处理后，线粒体在子细胞中分配严重不均衡。类似的表型也在之前的研究中看到过，当敲降微丝肌动蛋白myo19后会使线粒体分配不均【6】。研究人员发现myo19的敲降并不会破坏actin的绳索结构，但会使线粒体从这种网状结构上脱离下来，同时ER的形态也受到了破坏。因此，维持有丝分裂过程中线粒体的形态，一方面需要actin cable维持内质网形态，另一方面需要MYO19 将线粒体栓在半刚性肌动蛋白网络上。
虽然actin cable广泛分布在有丝分裂中期的细胞质中，但最主导的微丝形态是旋转的微丝波（actin wave）。Actin wave持续通过有丝分裂的所有阶段，它的移动频率和速度会随着线粒体上微丝的解离和聚合而变化，然后在胞质分裂时的卵裂沟处停滞在线粒体上；随后在每个子细胞中以较慢的相间速率重新启动循环（图3）。
图3. 微丝波（actin wave）
通过近距离地观察actin wave，研究人员发现每个线粒体都会被微丝束环绕，这种形态被称为actin cloud，类似的actin cloud没有在其他细胞器周围发现。Actin cloud的亮度比cable的亮度高三倍多，特征是有对称的节，并且线粒体的运动能力受限。研究人员追踪了300个actin cloud 得出了以下结论：actin cloud分解是最常见的结果，其特点是节点的逐渐丢失和弥散性线粒体运动的恢复；此外，有13%的云会有突然的对称性的爆发，导致线粒体有方向性的移动。在线粒体的两侧形成节的微丝伸出两个尾巴（comet tails），线粒体会随着一起移动，通常会运动5μm及以上，最后96%的尾巴会溶解消失。尾巴运动的形式与线粒体一致，大部分为螺旋式前进，47%的运动方向与clould的移动轨迹相反。因此在有丝分裂过程中线粒体与微丝形成的cable、tail、cloud关联在一起，展现出了一种特异的运动方式。
图4. 围绕线粒体的actin cloud和actin comet
Acting wave的具体作用是什么呢？敲降微丝结合蛋白ARP3，会抑制actin wave和comet，但cables还保留。虽然ARP3的敲降没有造成线粒体大规模不对称分配，但是缺少了wave两个线粒体的相对距离就几乎变化很小了。也就是说actin wave可以弄混线粒体之间的相对的距离。线粒体群体在多个方面有高度异质性，他们猜测actin wave导致线粒体随机化分布，可确保两个子细胞获得相似组成的线粒体。为此，他们表达了mito-KillerRed（造成线粒体损伤）和mito-paGFP（光激活GFP）。当光照射细胞中的一个区域，造成部分线粒体损伤并同时标记这部分损伤线粒体。观察有丝分裂过程线粒体的分布情况。受损的线粒体会随着wave一点点扩散，ARP3敲降后受损线粒体的弥散性分布大大减弱（图5）。因此基于以上研究观察，研究人员提出假设：有丝分裂过程中依赖于actin的运动会将线粒体进行混匀，进而促进部分受损区域的线粒体在细胞质中扩散，确保子细胞线粒体分配的均衡性。
图5. 抑制actin wave会阻止受损线粒体在细胞质中的弥散分布
因此，研究人员利用超分辨成像定义了一个在有丝分裂过程中线粒体如何组织并且遗传给子细胞的机制。发现了有三种微丝组装在线粒体周围的形式：首先是微丝形成一种网格组织将线粒体、ER固定来维持他们相对均匀的分布；在actin wave中大部分线粒体会被actin cloud包裹，它会突然对称性的破裂形成comet tails，会带动线粒体进行长距离移动，将线粒体混乱，使得线粒体分布更随机，来保证每个子细胞遗传得到功能接近一致的线粒体。
actin在有丝分裂的细胞里转动
事实上，线粒体会形成尾巴进行长距离运动这个现象是具有一定保守性的：线粒体是从内共生的细菌演化而来的细胞器，早在四十年前，研究人员已经发现很多病原菌，包括李斯特菌、立克次氏体、志贺氏菌入侵宿主后都会形成comet tails，而破坏这种tails即可阻止病原菌在细胞间的传播【8-11】。
有丝分裂过程需要确保细胞器分配的公平性，而在不对称分裂的细胞中，功能不同的线粒体会被不均等地分配到子细胞中，从而影响细胞命运【12】。在乳腺干细胞中，接受较少的老的线粒体的子细胞会保持干细胞特征【13】。在这种不对称分裂的情况下，线粒体弄混的机制是否会被抑制，是否还存在其他机制来维持不对称分裂中线粒体的分配问题都有待进一步研究。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03309-5
参考文献
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3. G. Kanfer, B.Kornmann, Dynamics of the mitochondrial network during mitosis. Biochem Soc Trans 44, 510-516 (2016).
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13. P. Katajisto et al., Asymmetric apportioning of agedmitochondria between daughter cells is required for stemness. Science 348, 340-343 (2015).
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